VALIDIERUNG AUTOMATISIERTER UND BILDGEBENDER ZFP-VERFAHREN AM FLORIDA DEPARTMENT OF TRANSPORTATION

Fachtagung Bauwerksdiagnose - Poster 08

               Validierung automatisierter und
           bildgebender ZfP-Verfahren am Florida
                Department of Transportation
                           Daniel ALGERNON, Dennis R. HILTUNEN
        University of Florida – Civil and Coastal Engineering Department, Gainesville, FL,
                                               USA

                     Kurzfassung. Um die Bestandsdauer von Brückenbauwerken zu erhöhen, plant
                     das Florida Department of Transportation (FDOT) den verstärkten Einsatz von
                     ZfP-Verfahren wie u.a. Ultraschall, Bewehrungssuchgerät, Impact-Echo, Radar
                     und Laser-Profilometer zur Zustandsbestimmung und baubegleitenden
                     Qualitätssicherung. Um diese Verfahren effektiv in der Praxis einsetzen zu
                     können, müssen deren Möglichkeiten und Grenzen hinsichtlich der Lösung einer
                     bestimmten Prüfaufgabe bekannt sein und dazu unter definierten Bedingungen
                     untersucht werden. Zu diesem Zwecke wurden Labortestkörper mit bekannten
                     Materialeigenschaften angefertigt und unterschiedliche Prüfprobleme
                     eingebracht. Um die Validierung der ZfP-Verfahren so objektiv und unabhängig
                     vom jeweiligen Bediener zu machen, wird ein vollautomatisiertes Scanner-
                     System verwendet. Dabei konnte auf der Arbeit und dem Erfahrungsschatz der
                     Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) auf diesem Gebiet
                     aufgebaut werden.
                     Durch eine bildgebende Auswertung wird die Interpretierbarkeit der Ergebnisse
                     erheblich gesteigert und die Gefahr der Fehldeutung von Artefakten verringert.
                     Die Bilder werden schon während der Messung, quasi in Echtzeit erhalten, was
                     insbesondere beim Einsatz in der Praxis erhebliche Vorteile bringt.

      Einführung

      Um die Bestandsdauer von Brückenbauwerken zu erhöhen, plant das Florida
      Department of Transportation (FDOT) den verstärkten Einsatz von Verfahren zur
      zerstörungsfreien     Prüfung    (ZfP-Verfahren)          wie       u.a.     Ultraschall,
      Bewehrungssuchgerät, Impact-Echo, Radar und Laser-Profilometer zur
      Zustandsbestimmung und baubegleitenden Qualitätssicherung. Aufbauend auf der an
      der           Bundesanstalt          für             Materialforschung               und
      -prüfung (BAM) geleisteten Arbeit [u.a. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], insbesondere im
      Bereich der Automatisierung und Validierung von ZfP-Verfahren sowie der
      Visualisierung der Ergebnisse, sollte innerhalb eines vom FDOT finanzierten
      Projektes die Grundlage für ein NDT Validation Center am State Materials Office
      (SMO) in Gainesville, FL, geschaffen werden. Ziel ist es dabei, definierte
      Bedingungen zu schaffen, unter welchen die unterschiedlichen ZfP-Verfahren
      hinsichtlich ihrer Eignung zur Lösung unterschiedlicher Prüfprobleme untersucht
      werden können. Dafür müssen die Prüfprobleme in geeigneten Probekörpern
      nachvollzogen werden. Unter anderem ist dabei zu beachten, dass die Probekörper

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Lizenz: http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/de

eine ausreichende Größe haben, da sonst die an den Bauteilgrenzen entstehenden
Randeffekte die Ergebnisse zu sehr beeinflussen [8, 9].
Im Rahmen dieses Projekts sollten die aus der Sicht des FDOT für deren Bauwerke
relevantesten Prüfprobleme untersucht werden. Diese sind: die Ermittlung der
Betondeckung bewehrter Bauteile, Dickenbestimmung, Spannkanaluntersuchungen
und die Bestimmung von Materialparametern als Eingangswerte für Belastungstests.
Um diese Untersuchungen so unabhängig wie möglich vom jeweiligen Benutzer zu
machen, wurde ein automatisierter Teststand errichtet (Abbildung 1).

Abbildung 1: Teststand bestehend aus vollautomatisierten Scannersystemen, die an einem
Stahlgestell befestigt sind . Der Probekörper wird von einem Gabelstapler im Stahlrahmen
positioniert und über Hydraulikzylinder gehalten.

Der Teststand besteht aus zwei Scannersystemen, die an einem Stahlrahmen
angebracht sind. Die zu untersuchenden Probekörper werden mit Hilfe eines
Gabelstaplers in den Rahmen gestellt und mittels Hydraulikzylindern darin gehalten.
Dadurch wird ein stabiles System für den Laborbetrieb erhalten. Für den Einsatz in
der Praxis können die beiden Scanner ohne Probleme vom Stahlrahmen gelöst werden
und sind leicht zum Einsatzort zu transportieren.

Probekörper

Um die vier wesentlichen Fragestellungen

    -   Messung der Betondeckung
    -   Dickenmessung
    -   Spannkanaluntersuchung
    -   Bestimmung von Materialkennwerten

zu betrachten, wurden zunächst vier Probekörper konzipiert und erstellt. Alle
Probekörper besitzen die gleichen Randabmessungen von 2 m x 1.5 m.
Einer der Probekörper widmet sich der Betondeckungsmessung und verfügt über
unterschiedlich bewehrte Bereiche (Abbildung 2). Die dabei variierten Parameter sind
u.a. Betondeckung, Stababstand, Stabdurchmesser und die Anzahl der
Bewehrungslagen (x- und y-Richtung).

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Abbildung 2: Probekörper mit Bewehrungsstahl unterschiedlichen Durchmessers, mit
variierendem Abstand, in unterschiedlicher Tiefe und in mehreren Lagen (x- und y-Richtung).

In einen weiteren Probekörper wurden zur Erprobung der ZfP-Verfahren hinsichtlich
der Spannkanaluntersuchung vier Hüllrohre mit unterschiedlichem Durchmesser und
in unterschiedlicher Tiefe eingebracht. Im Inneren der Hüllrohre befinden sich
Spannlitzen (unverspannt eingebracht), die bereichsweise vollständig verpresst,
unverpresst oder nur zur Hälfte verpresset sind. Dies dient dazu, die Verfahren
hinsichtlich der Ortung von Verpressfehlern zu erproben.

Abbildung 3:
links: Schalung des Probekörpers mit Spannkanälen, die bereichsweise verpresst, unverpresst
oder nur halb verpresst sind.
rechts: Die Hüllrohre vor dem Einbau.

Zur Erprobung der Verfahren hinsichtlich ihrer Eignung zur Bestimmung von Dicken
an Bauteilen mit komplexen Geometrien wurde ein Probekörper geschaffen, der aus
sechs Teilbereichen mit fünf unterschiedlichen Dicken besteht, wobei in einem der
Bereiche zusätzlich kleinere Bereiche mit verminderter Dicke vorgesehen wurden
(Abbildung 4).

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Abbildung 4: Probekörper mit sechs Bereichen unterschiedlicher Dicke zur Validierung von ZfP-
Verfahren hinsichtlich der Dickensbestimmung an Bauteilen mit komplexer Geometrie.

Zusätzlich wurde als Referenz ein Probekörper ohne jegliche Einbauten hergestellt,
der die gleichen Abmessungen wie die zuvor aufgeführten Probekörper besitzt (mit
Ausnahme jenes Körpers mit unterschiedlichen Dickenbereichen, der sich
entsprechend in der Dicke von der des Referenzblocks unterscheidet). Mit Hilfe
dieses Referenzkörpers sollen einerseits Fehlinterpretationen vermieden werden, die
aus Geometrieeffekten herrühren. Treten beispielsweise bei Messungen an dem
bewehrten Probekörper Effekte auf, von denen nicht eindeutig gesagt werden kann,
ob sie durch die Bewehrung verursacht werden oder rein von der Geometrie des
Probekörpers, so können die Ergebnisse einfach mit denen des Referenzblocks
verglichen werden. Sind die Effekte auch hierin erkennbar, so ist klar, dass es sich
dabei um Geometrieeffekte handelt, die vollkommen unabhängig von der Bewehrung
sind. Ebenso eignet sich dieser Probekörper zur Erprobung von ZfP-Verfahren
hinsichtlich ihrer Eignung bestimmte Materialkenngrößen wie E-Modul, Poissonzahl
oder Dichte des Betons zu bestimmen.
Zusätzlich zu den eben genannten vier Probekörpern existieren zwei weitere
Probekörper mit eingebauten Spannkanälen, verpressten sowie unverpressten
Bereichen, Verankerungsbereichen, Bewehrung und sehr realistischer Oberfläche, an
denen manuelle Messungen durchgeführt wurden (Abbildung 5).

Abbildung 5:
Links: Probekörper mit eingebauten Spannkanälen, Verankerungsbereichen, Bewehrung und
sehr realistischer Oberfläche.
Rechts: manuelle Ultraschallmessung.

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Bildgebende Auswertung

Die von scannenden Messungen gewonnenen Daten eignen sich in besonderer Weise
zur bildgebenden Darstellung der Messergebnisse.
Eine Form der Darstellung ist die sogenannte B-Scan Visualisierung, wie es
Abbildung 6, Mitte zu sehen ist. Hierbei werden die gemessenen Kurven entlang einer
Linie mittels einer Farbskala nebeneinander geplottet, wodurch quasi eine
Querschnittsdarstellung entlang der Scanlinie erhalten wird.
Durch Darstellung der für jeden Messpunkt ermittelten Tiefe mit der höchsten
Amplitude innerhalb eines festgelegten Bereichs, kann einen 3D-Visualisierung
(Abbildung 6, links) erhalten werden. Diese besitzt hohen Anschauungswert und
vereinfacht dementsprechend die Interpretation der Messergebnisse.
Die Bilder können schon während der Messung gemeinsam mit einer statistischen
Auswertung (Abbildung 6, rechts) erhalten und begleitend ausgewertet werden, was
insbesondere beim Einsatz in der Praxis erhebliche Vorteile bringt.
Aus den am Probekörper mit unterschiedlichen Dickenbereichen mit Ultraschall
gemessenen Daten gehen die verschiedenen Dicken, insbesondere auch die der
kleineren Bereiche, klar hervor.

Abbildung 6: Visualisierung der Ergebnisse einer scannenden Ultraschallmessung am
Probekoerper Bereichen unterschiedlicher Dicke.
links: 3D-Darstellung der gemessenen Dicken.
Mitte: B-Scan. Die gemessenen Kurven entlang einer Linie werden mittels einer Farbskala
nebeneinander geplottet, wodurch quasi eine Querschnittsdarstellung entlang der Scanlinie
erhalten wird.
Rechts: Histogramm der gemessenen Dicken.

In Abbildung 7 sind die 3D-Visualisierungen der am Probekörper mit eingebauten
Spannkanälen gemessenen Ultraschall- und Impact-Echo-Daten dargestellt. Während
sich in den Impact-Echo-Ergebnissen die Spannkanäle nur als scheinbare
Verschiebung der Rückwand zu größeren Tiefen hin abbilden und sich somit nur ihre
Lage in der Ebene bestimmen lässt, können sie mit Ultraschall auch in der Tiefe
geortet werden.

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Abbildung 7: 3D-Visualisierung der am Probekörper mit eingebauten Spannkanälen gewonnen
Messergebnisse.
Links: Ultraschall. Die Lage in der Ebene, Tiefe und die Unterschiede im Durchmesser der
Hüllrohre gehen aus den Ergebnissen hervor.
Rechts: Impact-Echo. Die Lage der Spannkanäle in der Ebene geht aus den Messergebnissen
hervor, da sich diese als scheinbare Verschiebung der Rückwand zu höheren Dicken hin zeigen.
Eine Ortung in der Tiefe ist demnach nicht möglich.

Ein weiteres Visualisierungs-Modul macht es möglich, die aus scannenden
Messungen in Form von Bildern gewonnenen Ergebnisse mit weiterem Bildmaterial
(Fotos, Zeichnungen, 3D-CAD-Modellen) zu verknüpfen und zu überlagern
(Abbildung 8), wodurch die Interpretierbarkeit weiter erhöht und die Auswertung
anschaulicher und dementsprechend erleichtert wird.

Abbildung 8: Visualisierungs-Modul zur Überlagerung der Messergebnisse mit zur Verfügung
stehendem Bildmaterial wie Zeichnungen, Fotos oder 3D-CAD Plots.

Fazit
Am Florida Department of Transportation ist in Anlehnung an die erfolgreiche Arbeit
der BAM im Rahmen eines von der University of Florida durchgeführten Projektes
die Basis für ein ZFP-Validierungszentrum entstanden.
Hierzu wurden die relevanten Prüfaufgaben in Probekörpern nachgebildet und ein
Teststand mit zwei vollautomatisierten Scannern errichtet. Ein Software-Paket
übernimmt die Steuerung der Scanner, Datenerfassung und visualisiert die
gemessenen Daten in verschiedenen Darstellungen, wodurch die Auswertung sehr
anschaulich wird und die Interpretierbarkeit der Ergebnisse entsprechend erhöht wird.

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Danksagung

Für die Förderung des hier beschriebenen Projektes sei dem Florida Department of
Transportation ganz herzlich gedankt.
Für die Beratung und Unterstützung bei der Umsetzung dieses Projektes sei der
Fachgruppe VIII.2 der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung ganz
herzlich gedankt.

Referenzen

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       Beispiel der Laufzeitmessung. Deutscher Ausschuss für Stahlbeton, Heft 574, (2008).
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[3]    Wiggenhauser, H., Streicher, D., Algernon, D., Wöstmann, J. and M. Behrens: Automated
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       pp. 261-269, (2007).
[4]    Streicher, D. ,Algernon, D., Wöstmann, J., Behrens, M. and H. Wiggenhauser: Automated
       NDE of Post-Tensioned Concrete Bridges using Imaging Echo Methods. 9th European
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[5]    Kohl, C., Krause, M., Maierhofer, C. and J. Woestmann: 2D- and 3D-visualisation of NDT-
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[6]    Helmerich, R., Niederleithinger, E., Stoppel, M.and Wiggenhauser, H.: The role of advanced
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[8]    Lausch, R., Wiggenhauser, H. und F. Schubert: Geometrieeffekte und Hüllrohrortung bei der
       Impact-Echo-Prüfung von Betonbauteilen – Experimentelle und modelltheoretische
       Ergebnisse.
       DGZfP Jahrestagung 06.-08. Mai 2002 in Weimar, DGZfP-Berichtsband BB-80-CD, Plakat
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